【经验】可编程霍尔电流传感器的性能提高技巧及其应用设计
【摘要】MLX91208可编程霍尔效应电流传感器，采用集成式磁选机（IMC）技术，提高了传感器的性能，符合AEC-Q100要求。其能通过增加U形磁屏蔽来设计，可应用于较小电流（0~30A）、大电流（>30A）以及线缆测量三种不同的领域，本文还提到了不同领域提高其性能的方法。
近年来，随着电动汽车市场的兴起，对大电流供电设备的需求也被推向了高峰，充电桩、BMS、电机行业等都不可避免地需要高精度高灵敏度的电流检测性能。霍尔电流传感器由于具有精度高、过载能力强、动态响应快、隔离能力强等优点，被广泛运用于高电流检测。
传统的霍尔电流传感器被用于与铁磁磁芯结合使用。在典型应用中，传感器核心是插入在被载流导体围绕和集中的一个小的气隙磁通量间隙中的（一般为5mm）。MELEXIS公司推出的MLX91208可编程霍尔效应（Hall-effect）电流传感器，符合AEC-Q100要求，采用了Melexis专有的集成式磁选机（IMC）技术，不需要笨拙的外部铁磁磁芯，便可以有效地使磁通量集中，提高传感器性能。
MLX91208传感器可以直接测量芯片下方流过母线或PCB的电流。其特有的IMC技术提高了磁增益，免去磁芯，节省了外部空间，可直接测量在PCB板上芯片下方的线流或者母线上的电流，易于集成。然而，在特定的场合中，为了提高该传感器的设计精度，需要通过磁屏蔽以及特殊的设计来避免外部串扰或噪声。笔者将介绍一些常见的MLX91208电流传感器应用场合的设计以及提高其性能的方法。
MLX91208有三种规格的芯片，包括LF、HF和VHF，涵盖了不同精度和不同量程的应用场合。其中，LF应用领域的芯片具有高灵敏度输出的特性，应用于低电流测量（0~100A），磁感应电压为250mV/mT。而VHF系列芯片可应用于高电流（0~1000A）的测量，磁感应电压为60mV/mT，测量范围大。以下介绍MLX91208增加磁屏蔽罩的设计原理。
如下图1，MLX91208在设计时可在芯片两边增加U形屏蔽，在母线电流检测应用中，导体靠近U形磁屏蔽，影响磁场最重要的尺寸因素是内宽W。
图1：加入U形屏蔽的MLX91208
在这种配置中，由电流I和内部宽度W的传感器所看到的磁场可以被估计为：
磁感应强度B最佳的目标值是25mT。在这个范围内，传感器的最大非线性度维持在±0.5%F.S以内。
在大电流的应用中，屏蔽罩可能变得相当宽（在I=800A时，要求W为40mm）。为了获取最佳的磁感应强度与机械性能，母线与屏蔽罩的尺寸应该相当。具体讲，屏蔽罩内部的宽度W不应该超过母线宽度的1.5倍。一个宽的屏蔽罩包围一个窄的母线达不到预期的效果。
MLX91208芯片的应用场合，大体可分为较小电流（0~30A）、大电流（>30A）以及线缆测量三种不同的应用领域。以下介绍MLX91208在这三种不同领域的应用以及提高其性能的方法。
1.较小电流检测应用
将线路从PCB板上芯片下方走线，通过在PCB板上增加插槽安装U形屏蔽罩的方式来增加磁通量，提高灵敏度，如图2所示。PCB布线需要注意增加传感器与信号走线之间的爬电距离，以保证良好的隔离，确保数字信号端电源的稳定性。通过传感器感测线路与其它线路垂直等方式以防止串扰，此外，通过增加布板层数来增加检测灵敏度。
图2：在PCB上增加插槽安装U形屏蔽罩实物图
2.大电流母线检测应用。
将带有MLX91208的PCB板固定在母线的上方。如下图：
图3：固定在母线上方的MLX91208
大电流的磁通量成比例上升，当电流强度超过500A时，由于磁场强度越高，测量非线性度越大。此时，我们要考虑的是如何控制磁通量，以减小磁场到合适的量程范围。通常可通过以下方法缩小芯片的磁感应强度：
1）开槽的母线帮助减少磁感应强度，就是在传感器的母线下方开一个槽；
2）增加传感器下方的母线宽度；
3）用分离母线方法来替代极宽的屏蔽罩，测量分离部分的母线的磁场，减小磁感应强度。
3.大电流线缆检测应用。
如下图，通过改变屏蔽罩的形状来适配线缆的宽度，以固定电缆，包围电缆线能够显著提高磁场感应效果。
图4：改变屏蔽罩的形状来适配线缆的宽度实物图
4.其它提高检测灵敏度的技巧。
1）在10kHz以上的大电流检测应用中，电流在边缘的密度更高，在导体的中心密度更低，这种现象叫做“趋肤效应”。因此，将传感器布置在母线的边缘，能够增加灵敏度。
2）通过用一个微控制器来补偿在高磁场强度/电流下的非线性度。
图5：MLX91208非线性[%F.S] vs 应用磁场[mT]
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